Hochgeschwindigkeits-SAS-Kabel: Steckverbinder und Signaloptimierung

Hochgeschwindigkeits-SAS-Kabel: Steckverbinder und Signaloptimierung

Spezifikationen zur Signalintegrität

Zu den wichtigsten Parametern der Signalintegrität gehören Einfügungsdämpfung, Nah- und Fernübersprechen, Rückflussdämpfung, Laufzeitverzerrung in Differenzialpaaren und die Amplitudenänderung vom Differenzial- zum Gleichtaktmodus. Obwohl diese Faktoren miteinander verknüpft sind und sich gegenseitig beeinflussen, kann man jeden Faktor einzeln betrachten, um seine primäre Auswirkung zu untersuchen.
Einfügungsdämpfung
Die Einfügungsdämpfung beschreibt die Abschwächung der Signalamplitude zwischen Sender und Empfänger eines Kabels und ist direkt proportional zur Frequenz. Sie hängt auch vom Leiterquerschnitt ab, wie die untenstehende Dämpfungsgrafik zeigt. Für interne Komponenten mit kurzer Reichweite und 30- oder 28-AWG-Kabeln sollten hochwertige Kabel eine Dämpfung von weniger als 2 dB/m bei 1,5 GHz aufweisen. Für externe 6-Gbit/s-SAS-Verbindungen mit 10-m-Kabeln empfiehlt sich die Verwendung von Kabeln mit einem durchschnittlichen Leiterquerschnitt von 24 AWG, die eine Dämpfung von nur 13 dB bei 3 GHz aufweisen. Um bei höheren Datenübertragungsraten eine größere Signalreserve zu erzielen, sollten längere Kabel mit geringerer Dämpfung bei hohen Frequenzen verwendet werden, beispielsweise SFF-8482 mit Stromkabel oder SlimSAS SFF-8654 8i.

Übersprechen
Übersprechen bezeichnet die Energiemenge, die von einem Signal oder Differenzialpaar auf ein anderes Signal oder Differenzialpaar übertragen wird. Bei SAS-Kabeln verursacht ein zu hohes Nahnebensprechen (NEXT) die meisten Verbindungsprobleme. Die Messung des NEXT erfolgt nur an einem Kabelende und gibt die Energiemenge an, die vom Sendesignalpaar auf das Empfangssignalpaar übertragen wird. Die Messung des Fernnebensprechens (FEXT) erfolgt durch Einspeisen eines Signals in das Sendesignalpaar an einem Kabelende und Beobachtung der verbleibenden Energie am anderen Kabelende. NEXT in Kabelkomponenten und Steckverbindern wird üblicherweise durch eine unzureichende Isolation des Differenzialsignalpaares verursacht, beispielsweise durch Buchsen und Stecker, unvollständige Erdung oder unsachgemäße Handhabung im Anschlussbereich. Systementwickler müssen sicherstellen, dass die Kabelhersteller diese drei Probleme berücksichtigt haben, wie beispielsweise bei Komponenten wie MINI SAS HD SFF-8644 oder OCuLink SFF-8611 4i.

Die Kurven 24, 26 und 28 zeigen die typischen Verluste eines 100-Ω-Kabels.

Bei hochwertigen Kabelkonfektionen sollte der NEXT-Wert, gemessen gemäß „SFF-8410 – Spezifikation für HSS-Kupferprüfung und Leistungsanforderungen“, unter 3 % liegen. Der S-Parameter sollte einen NEXT-Wert von über 28 dB aufweisen.
Rücklaufverlust
Die Rückflussdämpfung misst die Stärke der vom System oder Kabel reflektierten Energie bei der Einspeisung eines Signals. Diese reflektierte Energie führt zu einer Verringerung der Signalamplitude am Empfangsende des Kabels und kann die Signalqualität am Sendeende beeinträchtigen, was wiederum elektromagnetische Störungen für das System und die Systementwickler verursachen kann.
Diese Rückflussdämpfung entsteht durch Fehlanpassung der Impedanz in den Kabelkomponenten. Nur durch sorgfältige Behebung dieses Problems lässt sich die Impedanz beim Durchlaufen von Buchsen, Steckern und Kabelanschlüssen konstant halten und somit die Impedanzabweichung minimieren. Der aktuelle SAS-4-Standard senkt den Impedanzwert von ±10 Ω (SAS-2) auf ±3 Ω. Hochwertige Kabel sollten die Anforderungen innerhalb der Toleranz von nominal 85 oder 100 Ω ± 3 Ω erfüllen, wie beispielsweise SFF-8639 mit SATA 15P oder MCIO 74-Pin-Kabel.

Schrägverzerrung
Bei SAS-Kabeln treten zwei Arten von Laufzeitverzerrungen auf: zwischen und innerhalb von Differenzialpaaren (Signalintegritätstheorie – Differenzsignal). Theoretisch sollten mehrere gleichzeitig an einem Kabelende eingespeiste Signale gleichzeitig am anderen Ende eintreffen. Treffen die Signale nicht gleichzeitig ein, spricht man von Laufzeitverzerrung. Bei Differenzialpaaren entspricht die Laufzeitverzerrung innerhalb des Paares der Verzögerung zwischen den beiden Leitern, während die Laufzeitverzerrung zwischen Differenzialpaaren die Verzögerung zwischen zwei Differenzialpaaren beschreibt. Eine größere Laufzeitverzerrung innerhalb des Differenzialpaars kann die Differenzialbalance des übertragenen Signals beeinträchtigen, die Signalamplitude reduzieren, den Zeitjitter erhöhen und elektromagnetische Störungen verursachen. Bei hochwertigen Kabeln sollte die Laufzeitverzerrung innerhalb des Differenzialpaars unter 10 ps liegen, wie beispielsweise bei SFF-8654 8i-zu-SFF-8643-Kabeln oder Kabeln mit Anti-Misalignment-Insertion (AMI).
Elektromagnetische Interferenz
Es gibt viele Ursachen für elektromagnetische Störungen in Kabeln: mangelhafte oder fehlende Schirmung, falsche Erdungsmethode, unsymmetrische Differenzsignale und auch Fehlanpassung der Impedanz. Bei externen Kabeln sind Schirmung und Erdung wahrscheinlich die beiden wichtigsten Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, wie beispielsweise bei SFF-8087-Kabeln mit roter oder Kupfergeflecht-Erdung.
Üblicherweise sollte die Abschirmung gegen externe oder elektromagnetische Störungen aus einer doppelten Abschirmung mit Metallfolie und Geflecht bestehen, die eine Gesamtabdeckung von mindestens 85 % aufweist. Diese Abschirmung muss vollständig (360°) mit dem Außenmantel des Steckverbinders verbunden sein. Die Abschirmung einzelner Differenzialpaare muss von der externen Abschirmung isoliert sein, und ihre Filterleitungen müssen am Systemsignal oder an der Gleichstrommasse enden, um eine einheitliche Impedanzkontrolle für die Steckverbinder- und Kabelkomponenten, wie z. B. SFF-8654 8i Full Wrap Anti-Slash- oder Scoop-Proof-Steckverbinderkabel, zu gewährleisten.